三维激光图像投影仪的制作方法

三维激光图像投影仪的制作方法
【专利摘要】本发明提供了投影系统(20)和方法。该系统(20)包括第一光源(22)，以第一偏振发射光；第二光源(27)，以第二偏振发射光；数字微镜器件(DMD)(62)，具有第一轴；以及反射镜(60)，其光学地布置为与所述DMD(62)邻近。与所述第一光源(22)邻近地提供所述第二光源(27)。反射镜(60)布置在所述第一光源(22)、所述第二光源(27)和所述DMD(62)之间。所述第一光源(22)和所述第二光源(27)发射被反射到所述DMD(62)的光。
【专利说明】三维激光图像投影仪

【技术领域】
[0001] 本发明涉及立体三维图像投影仪，并且更具体地涉及可用被动式眼镜的小型三维 投影仪。

【背景技术】
[0002] 三维（3D)电影和图片由于图像更加真实而已经成为娱乐的流行形式。3D图像利 用人类双目视觉的物理特点。人眼间隔分开大约2英寸（5厘米），因而每一个眼睛从轻微 不同的视角看这个世界。大脑接收两个图像并且具有将每一个眼睛看到的东西之间的差别 相关联以确定距离的双目视觉功能。距离的确定提供了人们看到的三维效果。
[0003] 为了在诸如电影或电视屏幕之类的二维表面上创建双目图像，用户通常佩戴眼 镜。眼镜改变了用户观看图像的方式以创建仿真的3D效果。通常存在两类眼镜，被动式眼 镜和主动式眼镜。所用的眼镜类型将取决于正在使用的图像投影系统的类型。
[0004] 被动式眼镜依赖通过对每一个眼睛使用不同透镜而创建的光学效果。投影系统发 出一系列顺序图像，其中后续图像被轻微偏置。布置图像以使得用户通过眼镜的第一透镜 (例如，右眼）看第一图像，而用另一透镜（例如，左眼）看第二图像。因为图像被迅速投 影，所以用户未注意到多个图像，而是看到三维效果。最初，被动式眼镜使用不同颜色的透 镜来过滤图像，然而，这限制了 3D图像在期望全色彩图像时的使用。为了减轻该问题，开发 了偏振透镜，其中眼镜的每一个透镜允许不同偏振光的透射。偏振被动式透镜允许全色彩 3D图像透射。被动式透镜在诸如例如电影院之类的投影仪型系统中更普遍，其中可以使用 多个投影仪来投影图像。
[0005] 3D电视系统的开发创造了新的挑战，因为通常没有足够的空间用于多个投影仪。 为了解决这个问题，创建了主动式透镜。利用主动式透镜，眼镜无线地与投影仪通信以将眼 镜操作与正在显示的图像同步。对于主动式眼镜，透镜通常是可以在透射光和阻挡光之间 切换的液晶显示器。这样，眼镜可以迅速地将左右透镜在透明和不透明之间切换。在切换 眼镜的同时，电视投影一系列顺序图像。当在电视和眼镜之间同步该切换时，用户体验到三 维效果。


【发明内容】

[0006] 根据本发明的一个实施例，提供具有第一光源的方法，该第一光源以第一偏振发 射光。与第一光源邻近地提供第二光源，该第二光源以第二偏振发射光。提供具有第一轴 的数字微镜器件（DMD)。提供反射镜，其光学地布置在第一光源、第二光源和DMD之间，反射 镜与DMD邻近。从第一光源发射第一光。用反射镜将第一光反射到DMD上。在第一光发射 之后，从第二光源发射第二光。用反射镜将第二光反射到DMD上。
[0007] 根据本发明的一个实施例，提供具有第一光源的系统，该第一光源具有第一绿色 激光二极管、第一蓝色激光二极管和第一红色激光二极管。与第一光源邻近地布置第二光 源，第二光源具有第二绿色激光二极管、第二蓝色激光二极管和第二红色激光二极管，其中 第一光源和第二光源布置为在公共光轴上发射光。沿着公共光轴布置反射镜。与反射镜邻 近地布置DMD。
[0008] 根据本发明的一个实施例，提供了用于便携式电子装置的投影仪系统。该投影仪 系统包括第一光源，其具有第一绿色激光二极管、第一蓝色激光二极管和第一红色激光二 极管。与第一光源邻近地布置第二光源，第二光源具有第二绿色激光二极管、第二蓝色激光 二极管和第二红色激光二极管，其中第一光源和第二光源布置为在公共光轴上发射光。第 一准直透镜整体耦接到第一绿色激光二极管和第二绿色激光二极管。第二准直透镜整体地 耦接到第一蓝色激光二极管和第二蓝色激光二极管。第三准直透镜整体地耦接到第一红色 激光二极管和第二红色激光二极管。反射镜布置为反射来自第一光源和第二光源的光。与 反射镜邻近地布置成像器件。
[0009] 通过本发明的技术而实现附加的特征和优势。本发明的其他实施例和方面在这里 详细描述并被认为是所要求保护的发明的一部分。为了更好地理解具有优势和特征的本发 明，请参考说明书和附图。

【专利附图】

【附图说明】
[0010] 在说明书的结论处的权利要求书中具体地指出并且清楚地要求保护被认作本发 明的主题。结合附图，本发明的前述和其他的特征以及优势从以下详细描述中是显然的，在 附图中：
[0011] 图1是依据本发明实施例的三维图像投影仪的示意侧视图；
[0012] 图2是图1的三维图像投影仪的示意俯视图；
[0013] 图3是依据本发明实施例的操作三维图像投影仪的方法的流程图；并且
[0014] 图4是依据本发明另一实施例的操作三维图像投影仪的另一方法的流程图。

【具体实施方式】
[0015] 使用被动式眼镜的当代三维（3D)图像投影仪通常使用两个投影仪。仅使用单个 投影仪的在先努力依赖于投影仪内在顺序图像之间切换的主动式透镜。应当理解，可观的 支出可能出现在使用冗余投影仪或具有昂贵的主动式透镜。此外，随着用户期望从越来越 小的投影仪封装获得相当的性能时，这些技术无法良好地缩放。
[0016] 另一类投影仪使用具有与投影仪（通常是电视）协调工作的液晶二极管（LCD)的 主动式眼镜。主动式眼镜交替阻挡透镜中的一个，以使得用户将通过交替的透镜看到顺序 图像。尽管主动式眼镜良好地运行以为用户创建3D效果，但是它们也具有一些较不期望的 特性。主动式眼镜要求诸如需要周期性充电或替换的电池之类的能量来源。如果在电视和 眼镜之间的通信中断，则可能丢失3D效果。此外，由于系统的复杂性，主动式眼镜往往昂贵 许多。
[0017] 现在参考图1和图2,示出三维投影仪20用于依据本发明的实施例从单个投影镜 头投影三维（3D)图像。投影仪20包括具有三个单独激光生成器23、24、25的光生成器21。 在示例性实施例中，每一个激光生成器23、24、25包括一对单色激光二极管。如同以下将 更详细地描述的，该对单色激光二极管的每一个均具有相对于彼此的正交偏振。在示例性 实施例中，生成器23包括一对红色激光二极管30、31，生成器24包括一对绿色激光二极管 32、33而第三生成器25包括一对蓝色激光二极管34、35。
[0018] 生成器23、24、25串行布置。结果，二极管30、32、34串行地对准以形成第一光源 22,并且二极管31、33、35对准以形成第二光源27。生成器30、32、34的每一个可以包括集 成准直器29、37、39,其将光引导向邻近分色镜36、38、40之一。
[0019] 分色镜或滤光器使用在玻璃基底上形成的具有不同折射率的交替光学膜层。不同 折射率的层之间的界面产生带相位反射（phased reflection)，选择性地增强光的特定波 长并且干涉其他波长。因为反射而不是吸收不想要的波长，所以分色滤光器在操作期间内 不吸收该不想要的能量，这与相当的滤光器件相比提供了减少热量的优势，因为滤光器将 吸收来自除了期望颜色之外的全部波长的全部能量。
[0020] 镜36、38、40均布置为反射它们各自的激光二极管30、32、34的颜色。此外，镜面 36、38、40被以一角度布置以反射和弯曲各单独颜色来形成白光。在图1示出的示例性实施 例中，第一激光二极管30发射蓝色光46,其在分色镜36上反射向分色镜38。同时，第二激 光二极管32发射绿色光48,其在分色镜38上反射向分色镜40。来自第一激光二极管30 的光46与来自第二激光二极管32的光48混合。
[0021] 与光46、48的发射同时，第三激光二极管34发射红色光50到分色镜40。分色镜 40反射光50并且允许与来自二极管30、32的光混合以形成白光。分色镜36、38、40成角度 或被塑形为在朝向公共光轴55的方向上引导白光。如同以下将更详细地描述的，用预定偏 振配置光源22、27的每一个。在一个实施例中，光源42的偏振与光源44的偏振正交。此 夕卜，光源42、44配置为交替地且顺序地发射光到公共光轴55上。
[0022] 来自第一光源22的光离开并穿过复眼透镜54。复眼透镜54由小透镜（lenslet) 阵列构成，该小透镜具有将所透射的光分解为很多分量并且将它们均匀地投影在视场上的 效果。结果是，甚至在所投影的光的周围都没有任何光强减弱的明亮照明。一旦光离开了 复眼透镜54，则光可以穿过聚集光的可选聚光器透镜56。
[0023] 接着，光穿过将光聚焦到反射镜60的聚焦透镜。反射镜60反射并将光散布到成 像器件62上。光以一偏振从成像器件62反射出，并且随后基本透射过投影透镜组件66并 离开投影仪20。该过程以顺序方式对第二光源重复。
[0024] 应当理解，因为光源22、27彼此相邻地布置并沿着公共光轴54发射光，所以来自 每一个源的光将沿着基本上相同的路径长度行进以投影来自投影仪20的图像。这简化了 操作期间光源22、27的调制。此外，激光二极管具有小角度发散，其允许二极管紧密地放置 在一起并共享公共的集成准直透镜。这在允许紧凑设计方面提供了优势。
[0025] 在示例性实施例中，成像器件62是数字微镜器件（DMD)。DMD是具有以阵列布置 的几十万微小反射镜的光学半导体。该微小反射镜的阵列形成了可以随后被投影的图像表 面或平面。这些表面反射镜对应于在正被显示的图像中的像素。这些反射镜被单独地旋转 以反射光到投影透镜组件66或将光反射走（使之为暗）。通过非常快速地拨动（toggle) 微小反射镜产生灰度色彩。微小反射镜反射到投影透镜组件66中的时间量将决定灰色的 阴影。在另一实施例中，成像器件62是硅基液晶（LCoS)型器件。
[0026] 在不例性实施例中，用第一轴70布置成像器件62,第一轴70基本上从DMD图像器 件62的图像表面的中心垂直延伸。投影透镜组件66布置在第二轴68上。第一轴70和第 二轴68以距离D偏置，使得反射镜60布置为在矢量上反射光，以便光72在一角度上从成 像器件62反射出，该角度允许光拦截投影透镜组件66。在一个实施例中，投影仪20可以包 括光学背反射滤光器来减少斑点。
[0027] 应当明白，光源22、27以及结合离轴反射镜的成像器件62的使用允许更紧致的设 计。结果，投影仪20可以在尺寸上缩小或减小到极微（pico)投影仪或微（micro)投影仪 的类别。这些小型投影仪可以适宜于用在便携式电子装置中，诸如但不限于例如移动电话、 平板计算机、笔记本电脑和手持游戏装置。本发明的实施例还可以用在非便携式装置中， 诸如但不限于例如桌面计算机或电视。在一个实施例中，投影仪20可以包含在5-10. 5_ x2〇-37mm x 20_37mm 的外壳中。
[0028] 投影仪20还可以包括可选的反馈电路74。电耦接反馈电路74以与第一光源22、 第二光源27以及DMD图像器件62通信。反馈电路74提供第一调制信号到光源22、27且 提供第二调制信号到DMD图像器件62。调制信号在操作期间保持光源和DMD器件62同步。 换言之，反馈电路74确保了期望的光源22、27发射与通过投影透镜组件66投影的图像对 应的光。在一个实施例中，投影仪20在操作期间消耗30毫瓦或更少的电能。在另一实施 例中，以两倍于传送到DMD图像器件62的第二调制的频率的频率来调制传送到光源22、27 的第一调制信号。
[0029] 现在参考图2,示出用于操作诸如例如投影仪20之类的三维图像投影仪的方法 80。该方法80在框82开始。随后在框84,该方法80从诸如例如光源22之类的第一光源 发射光。来自第一光源的光在反射镜60上反射出并反射到成像器件上，诸如例如DMD成像 器件62。在框86,光在成像器件上反射出并穿过一个或多个透镜66以将图像N投影到投 影仪20之外。顺序地，在框88,诸如例如光源27之类的第二光源发射光，其在反射镜60上 反射出并反射到成像器件上。在框90,光在成像器件上反射出并投影到投影仪20之外。方 法80随后循环回到框84以继续从投影仪20投影图像。应当理解，图像N和图像N+1类似 但是轻微偏移，以为佩戴偏振被动式眼镜的用户创建三维效果。
[0030] 现在参考图4,示出用于操作诸如例如投影仪20之类的三维图像投影的方法92的 另一实施例。方法92在起始框94开始并前进到框98,在框98中，诸如例如光源22、27之 类的光源接收调制信号以将从光源发射光的定时与期望的图像同步。在一个实施例中，从 光源22、27的每一个发射的光具有预定的偏振。在一个实施例中，光源22、27的偏振彼此 正交。在框100,在成像器件上创建图像"N"。在框102,从第一光源发射光。在框104,该 第一光诸如用复眼透镜散布。在框108,该第一光从反射镜60反射到成像器件。在框110， 第一光将图像从成像器件反射出并穿过投影透镜以从投影仪发射图像N。
[0031] 方法92随后前进到框112,在框112中，在成像器件上创建图像N+1。在框114激 活第二光源以发射光。在框116,该第二光源随后用诸如例如复眼透镜之类的透镜散布。在 框120,第二透镜随后在反射镜60上反射出并反射到成像器件。在框120在成像器件上反 射出的光以不同于从成像器件反射的第一光的偏振偏振。在框122,第二反射光透射穿过投 影透镜以从投影仪发射图像N+1。应当理解，图像N和图像N+1类似但是轻微偏置以为佩戴 偏振被动式眼镜的用户创建三维效果。应当理解，当重复方法92时，图像可以继而在二维 投影表面上形成3D电影。
[0032] 本发明的实施例提供小型可靠的三维投影仪。本发明的实施例提供具有布置为具 有用于投影图像的相同路径长度的多个光源的优势。实施例在发射可用被动式眼镜的三维 图像方面提供了优势。
[0033] 这里使用的术语仅是为了描述特定实施例的目的而不是为了限制本发明。如这里 使用的，单数形式"一"、"一个"和"该"也意图包括复数形式，除非上下文以其他方式明确 指示。将进一步明白，术语"包括"和/或"包含"在本说明书中使用时，指定了声明特征、 整数、步骤、操作、要素和/或组件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操 作、要素组件和/或它们的组的存在或增加。
[0034] 以下权利要求中的全部装置或步骤外加功能要素的对应结构、材料、动作和等同 意图包括用于结合如具体主张的其他主张的要素来执行功能的任何结构、材料或动作。本 发明的描述已经出于说明和描述的目的而呈现，但是不意图为穷尽或限制于所公开的形式 的发明。很多修改和变型将对于本领域普通技术人员是显然的，而不背离本发明的范围和 精神。选择并描述实施例以便于最佳地说明本发明和实际应用的原理，并且使得本领域普 通技术人员能够理解对于具有各种修改的各种实施例的本发明，只要适于所计划的特定用 途。
[0035] 这里描绘的流程图仅为一个示例。对于这里描述的这个示图或步骤（或操作）可 以存在很多变型，而不背离本发明的精神。例如，步骤可以以不同次序进行或步骤可以增 力口、删除或修改。全部这些变型认为是所声明的发明的一部分。
[0036] 尽管已经描述了本发明的优选实施例，但是将明白本领域技术人员无论现在还是 将来都可以做出落入如下权利要求的范围内的各种改进和增强。这些权利要求将认为保持 首先描述的本发明的恰当保护。
【权利要求】
1. 一种方法，包括： 提供第一光源，所述第一光源以第一偏振发射光； 与第一光源邻近地提供第二光源，所述第二光源以第二偏振发射光； 提供数字微镜器件（DMD)，所述DMD具有第一轴； 提供反射镜，其光学地布置在所述第一光源、所述第二光源和所述DMD之间，所述反射 镜与所述DMD邻近； 从所述第一光源发射第一光； 用所述反射镜反射所述第一光到所述DMD上； 在所述第一光被发射之后，从所述第二光源发射第二光；以及 用所述反射镜反射所述第二光到所述DMD上。
2. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括： 提供与所述DMD邻近的投影透镜，所述投影透镜具有第二轴，其中所述第二轴从所述 第一轴偏置； 通过所述投影透镜发射从所述DMD反射的所述第一光；并且， 通过所述投影透镜发射从所述DMD反射的所述第二光。
3. 根据权利要求2所述的方法，进一步包括： 传送第一调制信号到所述第一光源和所述第二光源； 传送第二调制信号到所述DMD ;以及， 其中，所述第一调制信号的频率是所述第二调制信号的频率的两倍。
4. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括： 所述第一光源具有第一绿色激光二极管、第一蓝色激光二极管和第一红色激光二极 管；并且 所述第二光源具有第二绿色激光二极管、第二蓝色激光二极管和第二红色激光二极 管。
5. 根据权利要求4所述的方法，进一步包括： 提供光学耦接到所述第一绿色激光二极管和所述第二绿色激光二极管的第一准直透 镜； 提供光学耦接到所述第一蓝色激光二极管和所述第二蓝色激光二极管的第二准直透 镜；并且 提供光学耦接到所述第一红色激光二极管和所述第二红色激光二极管的第三准直透 镜。
6. 根据权利要求5所述的方法，进一步包括： 与所述第一准直透镜邻近地提供第一分色镜； 与所述第二准直透镜邻近地提供第二分色镜；并且 与所述第三准直透镜邻近地提供第三分色镜。
7. 根据权利要求1所述的方法，其中所述第一光源、第二光源和所述DMD布置在大约 5-10. 5mm高、大约20-37mm宽且大约20-37mm长的空间内。
8. 根据权利要求1所述的方法，其中所述第一光源、所述第二光源和所述DMD使用小于 或等于30毫瓦的电力。
9. 一种系统，包括： 第一光源，具有第一绿色激光二极管、第一蓝色激光二极管和第一红色激光二极管； 与所述第一光源邻近布置的第二光源，所述第二光源具有第二绿色激光二极管、第二 蓝色激光二极管和第二红色激光二极管，其中所述第一光源和所述第二光源被布置为在公 共光轴上发射光； 反射镜，沿着所述公共光轴布置；以及 DMD，与所述反射镜邻近地布置。
10. 根据权利要求9所述的系统，进一步包括与所述DMD邻近的投影透镜，所述投影透 镜被放置为接收从所述DMD反射的光，所述投影透镜进一步具有第一轴。
11. 根据权利要求10所述的系统，其中所述DMD包括图像表面以及与所述图像表面垂 直的第二轴，所述第二轴与所述第一轴平行并从所述第一轴偏置。
12. 根据权利要求11所述的系统，其中所述第二轴与所述公共光轴基本垂直。
13. 根据权利要求10所述的系统，进一步包括： 第一分色镜，与所述第一绿色激光二极管和所述第二绿色激光二极管邻近； 第二分色镜，与所述第一蓝色激光二极管和所述第二蓝色激光二极管邻近； 第三分色镜，与所述第一红色激光二极管和所述第二红色激光二极管邻近；
14. 根据权利要求10所述的系统，进一步包括： 第一准直透镜，光学耦接到所述第一绿色激光二极管和所述第二绿色激光二极管； 第二准直透镜，光学耦接到所述第一蓝色激光二极管和所述第二蓝色激光二极管；以 及 第三准直透镜，光学耦接到所述第一红色激光二极管和所述第二红色激光二极管。
15. 根据权利要求10所述的系统，进一步包括：反馈电路74,耦接到所述第一光源、所 述第二光源以及所述DMD，所述反馈电路提供第一调制信号到所述第一光源和所述第二光 源且提供第二调制信号到所述DMD，其中所述第一调制信号的频率是所述第二调制信号的 频率的两倍。
16. 根据权利要求10所述的系统，其中所述第一光源、所述第二光源和所述DMD布置在 大约5-10. 5mm高、大约20-37mm宽且大约20-37mm长的空间内。
17. 根据权利要求10所述的系统，其中所述第一光源、所述第二光源和所述DMD使用小 于或等于30毫瓦的电力。
18. -种用于便携式电子装置的投影系统，包括： 第一光源，具有第一绿色激光二极管、第一蓝色激光二极管和第一红色激光二极管； 与所述第一光源邻近布置的第二光源，所述第二光源具有第二绿色激光二极管、第二 蓝色激光二极管和第二红色激光二极管，其中所述第一光源和所述第二光源被布置为在公 共光轴上发射光； 第一准直透镜，整体耦接到所述第一绿色激光二极管和所述第二绿色激光二极管； 第二准直透镜，整体耦接到所述第一蓝色激光二极管和所述第二蓝色激光二极管； 第三准直透镜，整体耦接到所述第一红色激光二极管和所述第二红色激光二极管； 反射镜，布置为反射来自所述第一光源和所述第二光源的光；以及 成像器件，与所述反射镜邻近地布置。
19. 根据权利要求18所述的投影仪系统，进一步包括： 复眼透镜，布置在所述公共光轴上、且在所述反射镜和所述第一光源之间；以及 聚光器透镜，布置在所述公共光轴上、且在所述反射镜和所述复眼透镜之间。
20. 根据权利要求19所述的投影仪系统，进一步包括：投影透镜，布置为与所述反射镜 邻近，与所述成像器件相对。
21. 根据权利要求20所述的投影仪系统，其中所述投影透镜具有第一轴而所述成像器 件具有与所述成像器件的中心基本垂直的第二轴，所述第一轴从所述第二轴偏置。
22. 根据权利要求18所述的投影仪系统，其中，所述成像器件是数字微镜器件。
23. 根据权利要求22所述的投影仪系统，其中，所述第一光源、所述第二光源和所述 DMD布置在大约5-10. 5mm高、大约20-37mm宽且大约20-37mm长的空间内。
24. 根据权利要求23所述的投影仪系统，其中所述第一光源、所述第二光源和所述DMD 使用小于或等于30毫瓦的电力。
【文档编号】G03B21/00GK104067170SQ201380006753
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2013年1月23日 优先权日:2012年1月25日
【发明者】C.M.德库萨蒂斯 申请人:国际商业机器公司